Силовые линии магнитного поля

Магнитные поля так же, как и электрические, можно изображать графически при помощи силовых линий. Магнитной силовой линией, или линией индукции магнитного поля, называют линию, касательная к которой в каждой точке совпадает с направлением вектора магнитной индукции поля.

а )	б )	в )

Рис. 1.2. Силовые линии магнитного поля прямого тока (а),

кругового тока (б), соленоида (в)

Магнитные силовые линии так же, как и электрические, не пересекаются. Их прочерчивают с такой густотой, чтобы число линий, пересекающих единицу поверхности, перпендикулярной к ним, было равно (или пропорционально) величине магнитной индукции магнитного поля в данном месте.

На рис. 1.2, а приведены силовые линии поля прямого тока, которые представляют собой концентрические окружности, центр которых расположен на оси тока, а направление определяется правилом правого винта (ток в проводнике направлен на читателя).

Линии магнитной индукции можно «проявить» с помощью железных опилок, намагничивающихся в исследуемом поле и ведущих себя подобно маленьким магнитным стрелкам. На рис. 1.2, б показаны силовые линии магнитного поля кругового тока. Магнитное поле соленоида представлено на рис. 1.2, в .

Силовые линии магнитного поля замкнуты. Поля, обладающие замкнутыми силовыми линиями, получили название вихревых полей . Очевидно, что магнитное поле – вихревое поле. В этом заключается существенное отличие магнитного поля от электростатического.

В электростатическом поле силовые линии всегда разомкнуты: они начинаются и заканчиваются на электрических зарядах. Магнитные силовые линии не имеют ни начала, ни конца. Это соответствует тому, что в природе нет магнитных зарядов.

1.4. Закон Био–Савара–Лапласа

Французские физики Ж. Био и Ф. Савар провели в 1820 г. исследование магнитных полей, создаваемых токами, текущими по тонким проводам различной формы. Лаплас проанализировал экспериментальные данные, полученные Био и Саваром, и установил зависимость, которая получила название закона Био–Савара–Лапласа.

Согласно этому закону, индукция магнитного поля любого тока может быть вычислена как векторная сумма (суперпозиция) индукций магнитных полей, создаваемых отдельными элементарными участками тока. Для магнитной индукции поля, создаваемого элементом тока длиной , Лаплас получил формулу:

, (1.3)

где – вектор, по модулю равный длине элемента проводника и совпадающий по направлению с током (рис. 1.3); – радиус-вектор, проведенный от элемента в ту точку, в которой определяется ; – модуль радиуса-вектора .

Что мы знаем о силовых линиях магнитного поля, кроме того, что в локальном пространстве около постоянных магнитов или проводников с током, существует магнитное поле, которое проявляет себя в виде силовых линий, или в более привычном сочетании – в виде магнитно-силовых линий?

Существует очень удобный способ получить наглядную картину силовых линий магнитного поля с помощью железных опилок. Для этого нужно насыпать на лист бумаги или картона немного железных опилок и поднести снизу один из полюсов магнита. Опилки намагничиваются и располагаются по силовым линиям магнитного поля в виде цепочек микро магнитов. В классической физике магнитно-силовые линии определяют как линии магнитного поля, касательные к которым в каждой их точке указывают направление поля в этой точке.

На примере нескольких рисунков с разным расположением магнитно-силовых линий рассмотрим характер магнитного поля вокруг проводников с током и постоянных магнитов.

На рис.1 приведен вид магнитно-силовых линий кругового витка с током, а на рис.2 приведена картина магнитно-силовых линий вокруг прямолинейного провода с током. На рис.2 вместо опилок используют маленькие магнитные стрелки. На этом рисунке показано, как при изменении направления тока, меняется и направление магнитно-силовых линий. Связь между направлением тока и направлением магнитно-силовых линий обычно определяют с помощью «правила буравчика», вращение рукоятки которого покажет направление магнитно-силовых линий, если ввинчивать буравчик по направлению тока.

На рис.3 приведена картина магнитно-силовых линий полосового магнита, а на рис.4 картина магнитно-силовых линий длинного соленоида с током. Обращает на себя внимание сходство внешнего расположения магнитно-силовых линий на обоих рисунках (рис.3 и рис.4). Силовые линии от одного конца соленоида с током тянутся к другому так же, как у полосового магнита. Сама форма магнитно-силовых линий снаружи соленоида с током идентична с формой линий полосового магнита. У соленоида с током также имеются полюса северный и южный, а также нейтральная зона. Два соленоида с током или соленоид и магнит взаимодействуют как два магнита.

Что же можно увидеть, глядя на картинки магнитных полей постоянных магнитов, прямолинейных проводников с током или витков с током с использованием железных опилок? Главная особенность магнитно-силовых линий, как показывают картинки расположения опилок, это их замкнутость. Другая особенность магнитно-силовых линий – это их направленность. Маленькая магнитная стрелка, помещенная в какой-либо точке магнитного поля, своим северным полюсом укажет направление магнитно-силовых линий. Для определенности условились считать, что магнитно-силовые линии исходят из северного магнитного полюса полосового магнита и входят в его южный полюс. Локальное магнитное пространство вблизи магнитов или проводников с током представляет собой сплошную упругую среду. Упругость этой среды подтверждают многочисленные опыты, например, при отталкивании одноименных полюсов постоянных магнитов.

Еще ранее я высказал гипотезу о том, что магнитное поле вокруг магнитов или проводников с током представляет собой сплошную упругую среду, обладающую магнитными свойствами, в которой образуются интерференционные волны. Часть этих волн замкнута. Именно в этой сплошной упругой среде образуется интерференционная картина магнитно-силовых линий, которая проявляется с использованием железных опилок. Сплошная среда создается излучением источников в микроструктуре вещества.

Вспомним опыты по интерференции волн из учебника по физике, в котором колеблющаяся пластинка с двумя остриями ударяет по воде. В этом опыте видно, что взаимное пересечение под разными углами двух волн никакого влияния не оказывает на их дальнейшее перемещение. Другими словами волны проходят друг через друга без дальнейшего влияния на распространение каждой из них. Для световых (электромагнитных) волн справедлива та же закономерность.

Что же происходит в тех областях пространства, в которых две волны пересекаются (Рис. 5) – налагаются одна на другую? Каждая частица среды находящаяся на пути двух волн одновременно участвует в колебаниях этих волн, т.е. ее движение есть сумма колебаний двух волн. Эти колебания представляют собой картину интерференционных волн с их максимумами и минимумами в результате наложения двух или большего числа волн, т.е. сложения их колебаний в каждой точке среды, через которую эти волны проходят. Опытами установлено, что явление интерференции наблюдается как у волн, распространяющихся в средах, так и у электромагнитных волн, то есть интерференция является исключительно свойством волн и не зависит, ни от свойств среды, ни от ее наличия. Следует помнить, что интерференция волн возникает при условии, если колебания когерентны (согласованы), т.е. колебания должны иметь постоянную во времени разность фаз и одинаковую частоту.

В нашем случае с железными опилками магнитно-силовыми линиями являются линии с наибольшим количеством опилок, расположенных в максимумах интерференционных волн, а линии с меньшим количеством опилок расположены между максимумами (в минимумах) интерференционных волн.

На основании выше приведенной гипотезы, можно сделать следующие выводы.

1.Магнитное поле — это среда, которая образуется вблизи постоянного магнита или проводника с током в результате излучения источниками в микроструктуре магнита или проводника отдельных микромагнитных волн.

2.Эти микромагнитные волны взаимодействуют в каждой точке магнитного поля, образуя интерференционную картину в виде магнитно-силовых линий.

3.Микромагнитные волны это замкнутые микро энергетические вихри с микро полюсами способные притягиваться между собой, образуя упругие замкнутые линии.

4.Микро источники в микро структуре вещества, излучающие микромагнитные волны, которые образуют интерференционную картину магнитного поля, имеют одинаковую частоту колебаний, а их излучение постоянную во времени разность фаз.

Каким же образом происходит процесс намагничивания тел, который приводит к образованию вокруг них магнитного поля, т.е. какие процессы происходят в микроструктуре магнитов и проводников с током? Чтобы ответить на этот и другие вопросы необходимо вспомнить некоторые особенности строения атома.

Примерно две с половиной тысячи лет назад люди обнаружили, что некоторые природные камни обладают способностью притягивать к себе железо. Объясняли такое свойство присутствием у этих камней живой души, и некой «любовью» к железу.

Сегодня мы уже знаем, что эти камни являются природным магнитами, и магнитное поле, а вовсе не особое расположение к железу, создает эти эффекты. Магнитное поле - это особый вид материи, который отличается от вещества и существует вокруг намагниченных тел.

Постоянные магниты

Природные магниты, или магнетиты, обладают не очень сильными магнитными свойствами. Но человек научился создавать искусственные магниты, обладающие значительно большей силой магнитного поля. Делаются они из специальных сплавов и намагничиваются внешним магнитным полем. А после этого их можно использовать самостоятельно.

Силовые линии магнитного поля

Любой магнит имеет два полюса, их назвали северным и южным полюсами. На полюсах концентрация магнитного поля максимальна. Но между полюсами магнитное поле располагается тоже не произвольно, а в виде полос или линий. Они называются силовыми линиями магнитного поля. Обнаружить их довольно просто - достаточно поместить в магнитное поле рассыпанные железные опилки и слегка встряхнуть их. Они расположатся не как угодно, а образуют как бы узор из линий, начинающихся у одного полюса и заканчивающихся у другого. Эти линии как бы выходят из одного полюса и входят в другой.

Железные опилки в поле магнита сами намагничиваются и размещаются вдоль силовых магнитных линий. Именно подобным образом функционирует компас. Наша планета - это большой магнит. Стрелка компаса улавливает магнитное поле Земли и, поворачиваясь, располагается вдоль силовых линий, одним своим концом указывая на северный магнитный полюс, другим - на южный. Магнитные полюса Земли немного не совпадают с географическими, но при путешествиях вдали от полюсов, это не имеет большого значения, и можно считать их совпадающими.

Переменные магниты

Область применения магнитов в наше время чрезвычайно широка. Их можно обнаружить внутри электродвигателей, телефонов, динамиков, радиоприборов. Даже в медицине, например, при проглатывании человеком иглы или другого железного предмета, его можно достать без операции магнитным зондом.

При подключении к двум параллельным проводникам электрического тока, они будут притягиваться или отталкиваться, в зависимости от направления (полярности) подключенного тока. Это объясняется явлением возникновения материи особого рода вокруг этих проводников. Эта материя называется магнитное поле (МП). Магнитной силой называется сила, с которой проводники действуют друг на друга.

Теория магнетизма возникла еще в древности, в античной цивилизации Азии. В Магнезии в горах нашли особую породу, куски которой могли притягиваться между собой. По названию места эту породу назвали «магнетиками». Стержневой магнит содержит два полюса. На полюсах особенно сильно обнаруживаются его магнитные свойства.

Магнит, висящий на нитке, своими полюсами будет показывать стороны горизонта. Его полюса будут повернуты на север и юг. На таком принципе действует устройство компаса. Разноименные полюсы двух магнитов притягиваются, а одноименные отталкиваются.

Ученые обнаружили, что намагниченная стрелка, находящаяся возле проводника, отклоняется при прохождении по нему электрического тока. Это говорит о том, что вокруг него образуется МП.

Магнитное поле оказывает влияние на:

Перемещающиеся электрические заряды.
Вещества, называемые ферромагнетиками: железо, чугун, их сплавы.

Постоянные магниты – тела, имеющие общий магнитный момент заряженных частиц (электронов).

1 — Южный полюс магнита
2 — Северный полюс магнита
3 — МП на примере металлических опилок
4 — Направление магнитного поля

Силовые линии появляются при приближении постоянного магнита к бумажному листу, на который насыпан слой железных опилок. На рисунке четко видны места полюсов с ориентированными силовыми линиями.

Источники магнитного поля

• Электрическое поле, меняющееся во времени.
• Подвижные заряды.
• Постоянные магниты.

С детства нам знакомы постоянные магниты. Они использовались в качестве игрушек, которые притягивали к себе различные металлические детали. Их прикрепляли к холодильнику, они были встроены в различные игрушки.

Электрические заряды, которые находятся в движении, чаще всего имеют больше магнитной энергии, по сравнению с постоянными магнитами.

Свойства

• Главным отличительным признаком и свойством магнитного поля является относительность. Если неподвижно оставить заряженное тело в некоторой системе отсчета, а рядом расположить магнитную стрелку, то она укажет на север, и при этом не «почувствует» постороннего поля, кроме поля земли. А если заряженное тело начать двигать возле стрелки, то вокруг тела появится МП. В результате становится ясно, что МП формируется только при передвижении некоторого заряда.
• Магнитное поле способно воздействовать и влиять на электрический ток. Его можно обнаружить, если проконтролировать движение заряженных электронов. В магнитном поле частицы с зарядом отклонятся, проводники с протекающим током будут перемещаться. Рамка с подключенным питанием тока станет поворачиваться, а намагниченные материалы переместятся на некоторое расстояние. Стрелка компаса чаще всего окрашивается в синий цвет. Она является полоской намагниченной стали. Компас ориентируется всегда на север, так как у Земли есть МП. Вся планета – это как большой магнит со своими полюсами.

Магнитное поле не воспринимается человеческими органами, и может фиксироваться только особыми приборами и датчиками. Оно бывает переменного и постоянного вида. Переменное поле обычно создается специальными индукторами, которые функционируют от переменного тока. Постоянное поле формируется неизменным электрическим полем.

Правила

Рассмотрим основные правила изображения магнитного поля для различных проводников.

Правило буравчика

Силовая линия изображается в плоскости, которая расположена под углом 90 0 к пути движения тока таким образом, чтобы в каждой точке сила была направлена по касательной к линии.

Чтобы определить направление магнитных сил, нужно вспомнить правило буравчика с правой резьбой.

Буравчик нужно расположить по одной оси с вектором тока, рукоятку вращать таким образом, чтобы буравчик двигался в сторону его направления. В этом случае ориентация линий определится вращением рукоятки буравчика.

Правило буравчика для кольца

Поступательное перемещение буравчика в проводнике, выполненном в виде кольца, показывает, как ориентирована индукция, вращение совпадает с течением тока.

Силовые линии имеют свое продолжение внутри магнита и не могут быть разомкнутыми.

Магнитное поле разных источников суммируются между собой. При этом они создают общее поле.

Магниты с одинаковыми полюсами отталкиваются, а с разными – притягиваются. Значение силы взаимодействия зависит от удаленности между ними. При приближении полюсов сила возрастает.

Параметры магнитного поля

• Сцепление потоков (Ψ ).
• Вектор магнитной индукции (В ).
• Магнитный поток (Ф ).

Интенсивность магнитного поля вычисляется размером вектора магнитной индукции, которая зависит от силы F, и формируется током I по проводнику, имеющему длину l: В = F / (I * l) .

Магнитная индукция измеряется в Тесла (Тл), в честь ученого, изучавшего явления магнетизма и занимавшегося их методами расчета. 1 Тл равна индукции магнитного потока силой 1 Н на длине 1 м прямого проводника, находящегося под углом 90 0 к направлению поля, при протекающем токе в один ампер:

1 Тл = 1 х Н / (А х м).

Правило левой руки

Правило находит направление вектора магнитной индукции.

Если ладонь левой руки разместить в поле, чтобы линии магнитного поля входили в ладонь из северного полюса под 90 0 , а 4 пальца разместить по течению тока, большой палец покажет направление магнитной силы.

Если проводник находится под другим углом, то сила будет прямо зависеть от тока и проекции проводника на плоскость, находящуюся под прямым углом.

Сила не зависит от вида материала проводника и его сечения. Если проводник отсутствует, а заряды движутся в другой среде, то сила не изменится.

При направлении вектора магнитного поля в одну сторону одной величины, поле называется равномерным. Различные среды влияют на размер вектора индукции.

Магнитный поток

Магнитная индукция, проходящая по некоторой площади S и ограниченная этой площадью, является магнитным потоком.

Если площадь имеет наклон на некоторый угол α к линии индукции, магнитный поток снижается на размер косинуса этого угла. Наибольшая его величина образуется при нахождении площади под прямым углом к магнитной индукции:

Ф = В * S.

Магнитный поток измеряется в такой единице, как «вебер» , который равен протеканием индукции величиной 1 Тл по площади в 1 м 2 .

Потокосцепление

Такое понятие применяется для создания общего значения магнитного потока, который создан от некоторого числа проводников, находящихся между магнитными полюсами.

В случае, когда одинаковый ток I протекает по обмотке с количеством витков n, общий магнитный поток, образованный всеми витками, является потокосцеплением.

Потокосцепление Ψ измеряется в веберах, и равно: Ψ = n * Ф .

Магнитные свойства

Магнитная проницаемость определяет, насколько магнитное поле в определенной среде ниже или выше индукции поля в вакууме. Вещество называют намагниченным, если оно образует свое магнитное поле. При помещении вещества в магнитное поле у него появляется намагниченность.

Ученые определили причину, по которой тела получают магнитные свойства. Согласно гипотезе ученых внутри веществ есть электрические токи микроскопической величины. Электрон обладает своим магнитным моментом, который имеет квантовую природу, движется по некоторой орбите в атомах. Именно такими малыми токами определяются магнитные свойства.

Если токи движутся беспорядочно, то магнитные поля, вызываемые ими, самокомпенсируются. Внешнее поле делает токи упорядоченными, поэтому формируется магнитное поле. Это является намагниченностью вещества.

Различные вещества можно разделить по свойствам взаимодействия с магнитными полями.

Их разделяют на группы:

Парамагнетики – вещества, имеющие свойства намагничивания в направлении внешнего поля, обладающие низкой возможностью магнетизма. Они имеют положительную напряженность поля. К таким веществам относят хлорное железо, марганец, платину и т. д.
Ферримагнетики – вещества с неуравновешенными по направлению и значению магнитными моментами. В них характерно наличие некомпенсированного антиферромагнетизма. Напряженность поля и температура влияет на их магнитную восприимчивость (различные оксиды).
Ферромагнетики – вещества с повышенной положительной восприимчивостью, зависящей от напряженности и температуры (кристаллы кобальта, никеля и т. д.).
Диамагнетики – обладают свойством намагничивания в противоположном направлении внешнего поля, то есть, отрицательное значение магнитной восприимчивости, не зависящая от напряженности. При отсутствии поля у этого вещества не будет магнитных свойств. К таким веществам относятся: серебро, висмут, азот, цинк, водород и другие вещества.
Антиферромагнетики – обладают уравновешенным магнитным моментом, вследствие чего образуется низкая степень намагничивания вещества. У них при нагревании осуществляется фазовый переход вещества, при котором возникают парамагнитные свойства. При снижении температуры ниже определенной границы, такие свойства появляться не будут (хром, марганец).

Рассмотренные магнетики также классифицируются еще по двум категориям:

Магнитомягкие материалы . Они обладают низкой коэрцитивной силой. При маломощных магнитных полях они могут войти в насыщение. При процессе перемагничивания у них наблюдаются незначительные потери. Вследствие этого такие материалы используются для производства сердечников электрических устройств, функционирующих на переменном напряжении ( , генератор, ).
Магнитотвердые материалы. Они обладают повышенной величиной коэрцитивной силы. Чтобы их перемагнитить, потребуется сильное магнитное поле. Такие материалы используются в производстве постоянных магнитов.

Магнитные свойства различных веществ находят свое использование в технических проектах и изобретениях.

Магнитные цепи

Объединение нескольких магнитных веществ называется магнитной цепью. Они являются подобием и определяются аналогичными законами математики.

На базе магнитных цепей действуют электрические приборы, индуктивности, . У функционирующего электромагнита поток протекает по магнитопроводу, изготовленному из ферромагнитного материала и воздуху, который не является ферромагнетиком. Объединение этих компонентов является магнитной цепью. Множество электрических устройств в своей конструкции содержат магнитные цепи.

> Линии магнитного поля

Как определить силовые линии магнитного поля : схема силы и направлений линий магнитного поля, использование компаса для определения магнитных полюсов, рисунок.

Линии магнитного поля полезны для визуального отображения силы и направления магнитного поля.

Задача обучения

• Соотнести силы магнитного поля с плотностью линий магнитного поля.

Основные пункты

• Направление магнитного поля отображает стрелки компаса, касающиеся линий магнитного поля в любой указанной точке.
• Сила В-поля выступает обратно пропорциональной дистанции между линиями. Она также точно пропорциональна числу линий на единицу площади. Одна линия никогда не пересекает другую.
• Магнитное поле уникально в каждой точке пространства.
• Линии не прерываются и создают замкнутые петли.
• Линии тянутся с северного к южному полюсу.

Термины

• Линии магнитного поля – графическое изображение величины и направления магнитного поля.
• В-поле – синоним для магнитного поля.

Линии магнитного поля

Говорят, что в детстве Альберт Эйнштейн обожал разглядывать компас, размышляя о том, как игла ощущает силу без прямого физического контакт. Глубокое мышление и серьезный интерес, привели к тому, что ребенок вырос и создал свою революционную теорию относительности.

Так как магнитные силы влияют на удаленности, мы вычисляем магнитное поля для отображения этих сил. Графическая передача линий полезна для визуализации силы и направления магнитного поля. Вытянутость линий указывает на северную ориентацию стрелки компаса. Магнитное именуют В-полем.

(а) – Если для сопоставления магнитного поля вокруг стержневого магнита используют небольшой компас, то он покажет нужное направление от северного полюса к южному. (b) – Добавление стрелок создает непрерывные линии магнитного поля. Сила выступает пропорциональной близости линий. (с) – Если можно изучить внутренность магнита, то линии отобразятся в виде замкнутых петель

Нет ничего сложного в сопоставлении магнитного поля объекта. Для начала вычислите силу и направление магнитного поля в нескольких местах. Отметьте эти точки векторами, указывающими в направлении локального магнитного поля с величиной, пропорциональной его силе. Можно объединить стрелки, и сформировать линии магнитного поля. Направление в любой точке выступит параллельным направлению ближайших линий поля, а локальная плотность способна быть пропорциональной прочности.

Силовые линии магнитного поля напоминают контурные на топографических картах, так как показывают нечто непрерывное. Многие законы магнетизма можно сформулировать при помощи простых понятий, вроде количества полевых линий сквозь поверхность.

Направление линий магнитного поля, представленных выравниванием железных опилок на бумаге, расположенной над стержневым магнитом

На отображение линий влияют различные явления. Например, железные опилки на линии магнитного поля создают линии, которые соответствуют магнитным. Также они визуально отображаются в полярных сияниях.

Отправленный в поле небольшой компас выравнивается параллельно линии поля, а северный полюс укажет на В.

Миниатюрные компасы можно использовать для демонстрации полей. (а) – Магнитное поле круглого токового контура напоминает магнитное. (b) – Длинный и прямой провод формирует поле с линиями магнитного поля, создающего круговые петли. (с) – Когда провод оказывается в плоскости бумаги, то поле выступает перпендикулярным бумаге. Отметьте, какие именно символы используют для поля, указывающего внутрь и наружу

Детальное изучение магнитных полей помогло вывести ряд важных правил:

• Направление магнитного поля касается линии поля в любой точке пространства.
• Сила поля выступает пропорциональной близости линии. Она также точно пропорциональна количеству линий на единицу площади.
• Линии магнитного поля никогда не сталкиваются, а значит в любой точке пространства магнитное поле будет уникальным.
• Линии остаются непрерывными и следуют с северного к южному полюсу.

Последнее правило основывается на том, что полюса нельзя разделить. И это отличается от линий электрического поля, в которых конец и начало знаменуется положительными и отрицательными зарядами.